[发明专利]基于FPGA的闭环电生理实验平台

权利要求书

1.一种基于FPGA的闭环电生理实验平台，其特征是：利用FPGA芯片结合D/A转换模块构建一种高精度的虚拟神经元并实现闭环电生理实验，该虚拟神经元反映真实神经元的生理特性，在电生理实验研究中代替真实神经元；所述实验平台包括有相互连接的上位机(1)、数据采集卡(2)和FPGA芯片(3)；

所述的上位机(1)与数据采集卡(2)通过USB接口连接，利用数据采集卡(2)采集FPGA芯片(3)的输出数据，并实时地通过上位机(1)的上位机软件界面(49)的显示模块(52)以波形的形式显示出来；所述的FPGA芯片(3)通过USB接口(4)与上位机(1)实现通讯，接收上位机(1)发出的数据和指令；

所述的FPGA芯片(3)中包含有电压钳位实验模块(6)、动态钳位实验模块(12)、突触电流实验模块(16)、波形钳位实验模块(22)以及响应钳位实验模块(32)，这五个模块相互独立，通过数据总线(5)将这五个模块与上位机(1)和数据采集卡(2)相连接；所述的电压钳位实验模块(6)、动态钳位实验模块(12)、突触电流实验模块(16)、波形钳位实验模块(22)以及响应钳位实验模块(32)分别经数据总线(5)相互连接获取上位机(1)给定的参数，对FPGA芯片(3)中的参数进行配置，由数据总线(5)将上位机(1)的输入信号传输给所述的五个的模块，并将输出的信号传输到数据采集卡(2)的输入端，完成闭环电生理实验。

2.根据权利要求1所述的基于FPGA的闭环电生理实验平台，其特征是：所述的电压钳位实验模块(6)包括有电压钳位控制器(8)、神经元模型(9)及无迹卡尔曼滤波器(11)，所述电压钳位控制器(8)与数据总线(5)相连，控制神经元模型(9)放电，由无迹卡尔曼滤波器(11)接收神经元模型(9)的放电输出并与数据总线(5)连接，所述的电压钳位控制器(8)对神经元模型(9)进行调制，并使神经元模型(9)跟踪给定电压信号(7)放电；所述的无迹卡尔曼滤波器(11)对离子电流强度、电导、反电势、门控变量进行估计并输出到FPGA芯片(3)的输出端。

3.根据权利要求1所述的基于FPGA的闭环电生理实验平台，其特征是：所述的动态钳位实验模块(12)包括有由动态钳位控制器(14)、神经元模型(15)及无迹卡尔曼滤波器(11)，由动态钳位控制器(14)连接数据总线(5)，并对神经元模型(15)进行调制，通过无迹卡尔曼滤波器(11)接收神经元模型(15)的放电数据，并将得到的电导值输入到动态钳位控制器(14)中；动态钳位控制器(14)根据输入的电导值和上位机给点参数计算得到适当的刺激电流并施加到神经元模型(15)中，实现对神经元模型(15)放电的控制。

4.根据权利要求1所述的基于FPGA的闭环电生理实验平台，其特征是：所述的突触电流实验模块(16)包括有神经元模型Ⅰ(18)、神经元模型Ⅱ(19)和神经元模型Ⅲ(21)，所述神经元模型Ⅰ(18)与神经元模型Ⅱ(19)之间、神经元模型Ⅱ(19)与神经元模型Ⅲ(21)之间分别以完全相同的模拟突触连接方式(20)连接，将神经元模型Ⅰ(18)的输出作为输入信号施加到神经元模型Ⅱ(19)，将神经元模型Ⅱ(19)的输出作为输入信号施加到神经元模型Ⅲ(20)，同时，由上位机对神经元模型Ⅰ(18)和神经元模型Ⅲ(20)施加相同的外加刺激信号(17)，将神经元模型Ⅰ(18)和神经元模型Ⅲ(20)的放电结果由数据总线(5)输出到FPGA芯片(3)的输出端。

5.根据权利要求1所述的基于FPGA的闭环电生理实验平台，其特征是：所述的波形钳位实验模块(22)包括有刺激类型选择模块(23)、波形钳位控制器(26)、神经元模型(27)及无迹卡尔曼滤波器(11)，所述刺激类型选择模块(23)与数据总线(5)相连，产生输入电压波形(25)；波形钳位控制器(26)对神经元模型(27)进行调制，刺激类型选择模块(23)与乘法器(24)连接，通过数据总线(5)传来的上位机(1)信号生成输入电压波形(25)作为给定电压信号，施加到神经元模型(27)中，利用波形钳位控制器(26)对神经元模型(27)进行控制，使神经元模型(27)跟随给定电压放电。

6.根据权利要求1所述的基于FPGA的闭环电生理实验平台，其特征是：所述的响应钳位实验模块(32)包括有响应钳位控制器(29)、神经元模型(30)及频率估计模块(31)，响应钳位控制器(29)连接到数据总线(5)并对神经元模型(30)进行控制，频率估计模块(31)接收神经元放电数据并将估计结果经数据总线(5)输出到数据采集卡(2)输入端，频率估计模块(31)对神经元模型(30)的放电数据进行分析，估计得到放电频率，响应钳位控制器(29)根据估计结果与上位机(1)给定放电频率(28)比较得到的误差，对神经元模型(30)进行控制，使神经元模型(30)按照给定的频率进行放电。